Science医学：大脑新排污系统浮出水面

　　

生物通报道：Rochester大学医学中心的神经学科学家门发现了大脑快速清除废弃物的新渠道，并发表在八月十五日Science旗下医学刊物Science Translational Medicine杂志上。

研究发现的大脑新排污系统具有高度组织性，就像大脑血管上附着的一系列排污管，专门负责在大脑中清除废弃物，这以系统的作用与机体其他部位淋巴系统的作用相似。

“清除废物对于每个器官都非常重要，而长期以来人们并不了解大脑清除垃圾的机制，”文章的资深作者Maiken Nedergaard说。“我们的研究显示，大脑自我清理的方式比人们以往认识到的更具组织性且规模更大。”

“我们希望这些发现能够为大脑相关疾病提供帮助，例如大脑外伤、阿尔茨海默症、中风和帕金森症，”她补充道。

研究人员将他们发现的新排污系统称为“glymphatic系统”，因为该系统的功能与淋巴系统相似，而且是由大脑神经胶质细胞形成的。研究团队是在小鼠大脑中发现这一系统的，而小鼠大脑与人类大脑非常相似。

人们已经知道脑脊液CSF具有重要作用，能够在扩散过程中清除脑组织、带走废弃物并为大脑组织输入营养。而新发现的系统使脑脊液在大脑所有角落更有效的循环，through what scientists call bulk flow or convection.

“这就好比大脑中存在两位清洁工，速度慢的那一位已经是我们的老相识，而速度快的这位才刚刚与我们碰面，”Nedergaard说。“大脑中的代谢速度很快而又异常敏感，它的自我清除机制比我们预想的更特殊范围更大，这一点也不奇怪。”

此前的系统是脑脊液的涓涓细流在大脑组织中渗透，而新排污系统是一个压力系统，有力推动大量脑脊液将大脑中的废弃物洗去。

Glymphatic系统就像包围着大脑血管的一层泵。研究人员发现星形胶质细胞astrocyte通过其突出部分“足突”形成了围绕在大脑动脉和静脉外的管道网，就像树木繁茂的道路上空由枝叶组成的华盖。

这些星形胶质细胞的足突中充满了水通道蛋白，就是这些蛋白促成了脑脊液在大脑中的额流动。研究显示，脑脊液从围绕动脉的管道泵入大脑，对大脑组织进行全面清洗，随后从围绕静脉的管道排出。

这一排污系统为何至今才被发现呢？

科学家称这一系统只有位于活体大脑中且结构完整才能起作用，而以前的科学家无法在活体内直接观察脑脊液流动，并且往往研究的是已死的大脑组织切片。为了在完整的活体大脑中进行研究，研究团队采用了双光子显微镜，这种技术能使科学家在活体动物中观察血流、脑脊液以及其他大脑物质。

在二三十年前就有些科学家提出假说，认为大脑中的脑脊液流应该比观察到的范围更大，但由于那时候没有在活动物体中观察这种系统的技术，他们没能证实自己观点。

“它是个液压系统，”Nedergaard说。“一旦你打开它，就破坏了系统，也就不能进行研究。幸运的是，我们借助新科技观察到了完整系统的作用过程。”

文章第一作者Jeffrey Iliff博士深入分析了阿尔西海默症患者大脑中累积的蛋白beta淀粉样蛋白。他发现正常小鼠的大脑中超过一半的淀粉样蛋白是通过glymphatic系统清除的。

“了解大脑处理垃圾的机制非常关键。在每个器官中，垃圾清理是与营养运输一样基础的重要事件。在大脑中这更是个吸引人的课题，因为基本上在所有的神经退行性疾病（包括阿尔茨海默症）中，蛋白垃圾会发生累积，最终阻碍并杀死大脑神经网络，”Iliff说。

“无论是由于正常衰老亦或是大脑损伤导致的结果，一旦glymphatic系统的清洁功能出现故障，废弃物就会在大脑中积累。阿尔茨海默症中的淀粉样蛋白沉积可能就是这样发生的，”Iliff说。

“增强glymphatic系统的活性也许能有助于抑制淀粉样蛋白的沉积，或者为清除阿尔茨海默症中的累积物质提供一条新途径，”他补充道。

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

A Paravascular Pathway Facilitates CSF Flow Through the Brain Parenchyma and the Clearance of Interstitial Solutes, Including Amyloid β

Because it lacks a lymphatic circulation, the brain must clear extracellular proteins by an alternative mechanism. The cerebrospinal fluid (CSF) functions as a sink for brain extracellular solutes, but it is not clear how solutes from the brain interstitium move from the parenchyma to the CSF. We demonstrate that a substantial portion of subarachnoid CSF cycles through the brain interstitial space. On the basis of in vivo two-photon imaging of small fluorescent tracers, we showed that CSF enters the parenchyma along paravascular spaces that surround penetrating arteries and that brain interstitial fluid is cleared along paravenous drainage pathways. Animals lacking the water channel aquaporin-4 (AQP4) in astrocytes exhibit slowed CSF influx through this system and a ~70% reduction in interstitial solute clearance, suggesting that the bulk fluid flow between these anatomical influx and efflux routes is supported by astrocytic water transport. Fluorescent-tagged amyloid β, a peptide thought to be pathogenic in Alzheimer’s disease, was transported along this route, and deletion of the Aqp4 gene suppressed the clearance of soluble amyloid β, suggesting that this pathway may remove amyloid β from the central nervous system. Clearance through paravenous flow may also regulate extracellular levels of proteins involved with neurodegenerative conditions, its impairment perhaps contributing to the mis-accumulation of soluble proteins.